Атомные материалы - следующий технологический рубеж

Используя лазеры, можно преобразовать эти атомные структуры в миниатюрные устройства, которые будут обладать исключительной производительностью

В истории человеческой цивилизации было много веков, названных в честь материалов, которые во многом определяли уровень возможностей человека в определенный период времени: каменный век, бронзовый или железный. А нынешний век можно назвать «кремниевым».

С 1960-х годов кремниевые наноструктуры, строительные блоки микрочипов определяют развитие электроники, связи, промышленного производства, медицины и многого другого.

Насколько малы эти наноструктуры? Очень, очень маленькие - можно разместить как минимум 3000 кремниевых электронных транзисторов на кончике человеческого волоса. И сейчас уже практически достигнут предел техпроцесса производства микрочипов: на уровне менее примерно 5 нанометров (5 миллионных долей миллиметра) улучшение производительности кремниевых электронных устройств практически уже не представляется возможным.

Какие же материалы позволят продвинуть прогресс еще дальше?

«Атоматериалы» - сокращение от «атомных материалов», так названных потому, что их свойства зависят от точной конфигурации атомов, из которых они состоят. Это новое, но быстро развивающееся направление.

Одним из примеров таких материалов является графен, который состоит из атомов углерода. В отличие от алмаза, в котором атомы образуют жесткую трехмерную решетку, графен представляет из себя двумерную сотовую структуру.

Расположение атомов в алмазе является причиной его знаменитой твердости и прочности, что делает его идеальным материалом для изготовления высококачественных сверл и дорогих ювелирных изделий. Напротив, двумерная структура атомов углерода в графене позволяет электронам перемещаться c высокой скоростью без какого-либо сопротивления, обеспечивая сверхвысокую проводимость и превосходную механическую прочность в направлении плоскости. Таким образом, графен находит широкое применение в медицине, электронике, хранении энергии, взаимодействии со светом и фильтрации воды.

Используя лазеры, можно преобразовать эти атомные структуры в миниатюрные устройства, которые будут обладать исключительной производительностью.

Область других инновационных разработок с использованием графена широка. Некоторые из них:

Чудесная охлаждающая пленка. С помощью этой пленки можно охладить внутреннее пространство помещения на 10 °С без использования электричества. Благодаря внедрению такой пленки в конструкцию здания количество потребляемой электроэнергии, используемой для кондиционирования воздуха, может быть уменьшено на 35%.

Теплопоглощающая пленка. Около 97% земной воды сосредоточено в океанах, и она непригодна для питья без дорогостоящей обработки. Эффективное опреснение воды с помощью пленки из графена может стать успешным решением в борьбе с растущим глобальным ее дефицитом.

Пленка способна поглощать с очень высокой эффективностью солнечный свет и преобразовывать его в тепло. Температура может возрастать до 160 °С за 30 секунд. Далее это тепло участвует в дистилляции морской воды с эффективностью более 95%. Эта недорогая технология может подойти для бытового и промышленного использования.

Умные сенсоры. Эти гибкие пленки могут включать в себя широкий спектр функций, включая снятие показаний окружающей среды, обустройство линий связи и накопление энергии. Они имеют широкий спектр применения в здравоохранении, спорте, передовых методах промышленного производства, сельском хозяйстве. Например, умные пленки могут контролировать влажность почвы у корней растений, что помогает сельскому хозяйству повышать свою эффективность в области водопользования.

Ультратонкие сверхлегкие линзы. Самая большая часть камеры мобильного телефона - это объектив, потому что он должен быть изготовлен из толстого стекла с определенными оптическими свойствами. Однако, линзы, изготовленные из графена, могут иметь толщину всего лишь в миллионные доли миллиметра и при этом обеспечивать превосходное качество изображения. Такие линзы могут значительно снизить вес и стоимость очень большого спектра устройств, от телефонов до космических спутников.

Источники питания. Экологически чистый суперконденсатор из графена, способный заряжать устройства за считанные секунды, имеет срок службы в несколько миллионов циклов зарядки. В сочетании с солнечными элементами, он может обеспечить энергией человека в любое время и в любом месте.

Мир сталкивается с множеством проблем: от изменения климата до нехватки энергии и ресурсов. Инновации в создании новых материалов становятся всё более важным направлением исследований, чем когда-либо.

Источник: The Conversation